闸孔出流和桥

第八章 堰流、闸孔出流和桥、涵过流的水力计算8-1 堰流的分类及水力计算基本公式8-2 薄壁堰流的水力计算8-3 实用堰流的水力计算8-4 宽顶堰流的水力计算8-5 闸孔出流的水力计算1第八章 堰流及闸孔出流水利工程中为了泄水或引水，常修建水闸或溢流坝等建筑物，以控制河流或渠道的水位及流量。水流受闸门控制而从建筑物顶部与闸门下缘间孔口流出时，这种水流状态叫做闸孔出流。当顶部闸门完全开启，闸门下缘脱离水面，闸门对水流不起控制作用时，水流从建筑物顶部自由下泄，这种水流状态称为堰流。2堰流和闸孔出流是两种不同的水流现象。堰流与闸孔出流也存在着许多共同点 :首先，堰流和闸孔出流都是因水闸或溢流坝等建筑物壅高了上游水位，在重力作用下形成的水流运动。其次，这两种水流都是在较短的距离内流线发生急剧弯曲，离心惯性力对建筑物表面的压强分布及建筑物的过水能力均有一定影响。其出流过程的能量损失主要是局部损失。3闸底坎平顶堰时为闸孔出流；为堰流；闸底坎为曲线型堰流时为闸孔出流；为堰流；式中： e为闸孔开度； H为从堰顶算起的闸前水深。48-1 堰流的分类及水力计算基本公式一、堰流的分类水利工程中常根据不同的建筑材料和使用要求作成不同的堰。堰坎外形及厚度不同其能量损失及过水能力也会不同。5二、堰流水力计算的基本公式工程上通常按照堰坎厚度 与堰上水头 H的比值大小及水流的特征将堰流分作：1薄壁堰流：即2实用堰：即3宽顶堰流：即68-2 薄壁堰流的水力计算薄壁堰流具有稳定的水头和流量关系，因此常作为水力模型试验或野外测量中一种有效的量水工具。常用的薄壁堰顶部过水断面常作成矩形或三角形，分别称为：一、矩形薄壁堰流薄壁堰流由于具有稳定的水头和流量关系，因此，常作为水力模型试验或外测量中一种有效的量水工具。有些临时性的挡水建筑，如叠梁闸门也可近似作薄壁堰流计算。7另外，工程上广泛应用的曲线型实用堰，其外形一般按照矩形薄壁堰流水舌缘曲线设计。所以，薄壁堰流的研究是具有实际意义的。常用的薄壁堰，堰坎顶部的过水断面常作成矩形或三角形，分别称为薄壁堰或三角形薄壁堰。82.水舌下面的空间与大气相通。否则由于溢流水舌把空气带走，压强降低，水舌下面形成局部真空。这种出流也是不稳定的。1.堰上水头不宜过小（一般应使 H2.5厘米），否则溢流水舌受表面张力作用，使出流很不稳定。一、矩形薄壁堰流实验证明：当矩形薄壁堰流为无侧收缩，自由出流时，水流最为稳定，测量精度也较高。所以用来量水的矩形薄壁堰应使上游梁宽与堰宽相同；下游水位低于堰顶。此外为了保证堰为自由出流，还应满足：9图 8-5是实验室中测得的无测收缩，非淹没矩形薄壁堰自由出流的水舌形状。无测收缩，非淹没矩形薄壁堰的流量按（ 8-1）式计算为了便于根据直接测出的水头来计算流量，可改写 （ 8-1）式，把行近流速的影响包括在流量系数中去：即10式中 P1为上游堰高， H及 P1 均以米计。上式用于H 0.025米， 2及 P1 0.3米条件下。 令则得 （ 8-3）式中，包括行近流速影响的流量系数 m0可按下列经验公式计算（ 8-4）11二 直角三角形薄壁堰流当所需测量的流量较小（例如 Q 0.1米 3/秒）时，若应用矩形薄壁堰流则水头过小，误差增大。一般可改用直角三角形薄壁堰（图 8-6），其计算公式为（ 8-7）式中， C0为直角三角形薄壁堰的流量系数，可按下式计算12其中， Q为流量，以米 3/秒（ m3/s） 计；H为堰顶水头；P1为上游堰高；B为堰上游引渠宽均以米（ m） 计。在下述范围内，上式的误差（ 1.4% ）0.5m B1.2 m 0.1m P10.75 m 0.07m H0.26 m H B/3过去，有采用 C0=1.413作为挡水及泄水建筑物的溢流坝就是实用堰的典型例子。8-3 实用堰流的水力计算低溢流堰常用石料砌筑成折线形，较高的溢流坝为大过流能力，一般作成曲线形，即所谓的折线型实用堰和曲线型实用堰。14一、曲线型实用堰的剖面形状曲线型实用堰比较合理的剖面形状应当具有下列几个优点：(1) 过水能力大(2) 堰面不出现过大的负压(3) 经济、稳定15(a) (b) (c)堰顶曲线 BC对水流特性的影响最大，是设计曲线实用堰剖面形状的关键。国内外设计堰剖面形状有许多方法，主要区别在于曲线段 BC如何确定。实际采用的剖面形状都是按薄壁堰水舌下缘曲线稍加修改而成。16如图所示矩形薄壁堰自由出流，设堰顶 B点处水流质点流速 u与水平方向相交成 角，则 x、 y方向大流速分量等于式中：系数 ；指数 n =2。薄壁堰自由出流时，水舌下缘曲线的特性则在水舌下缘最高点时有经时刻 t后，液体质点的坐标值为：消去 t后，两端用 整理后得17我国采用的剖面有：1克里格奥菲采洛夫（过去常用）2渥奇3美国水道试验站 WES型（现在常用）WES剖面如图18实验研究表明，曲线型适用堰的流量系数主要决定于上游堰高与设计水头之比 ，堰顶全水头与设计水头之比 以及上游面的坡度。二、 WES剖面型实用堰的流量系数 m19三、侧收缩系数侧收缩系数就是用来考虑边墩及闸墩对过水能力的影响。可由下面经验公式计算：式中：n为堰孔数；H0为堰顶全水头；Ka为边墩形状系数；KP为闸墩形态系数。20实际计算中用淹没系数 来综合反映下游水位及护坦高程对过水能力的影响。 决定于 和 P2/H0。四、曲线型实用堰的淹没系数试验研究表明 :(1)当下游水位高过堰顶至某一范围时堰下游形成淹没水跃，过堰水流受到下游水位的顶托，降低了过水能力即为淹没出流；(2)当下游护坦高程较高，过堰水流受下游护坦的影响，也会产生类似淹没的效果而使流量系数降低。21淹没系数可查下图：当 0.15和 P2/H02 时出流不受下游水位及护坦高程的影响称为自由出流22当堰顶水平且厚度 ，在进口处形成水面跌落，堰顶范围内产生一段近似平行堰顶的渐变流动即为宽顶堰流。 流量计算公式为：(a)(b) (c)8-4 宽顶堰流的水力计算23一、流量系数 m对堰顶入口为直角的宽顶堰对堰顶进口为圆角的宽顶堰24二、侧收缩系数（ 8-17）式中： a0为考虑墩尖及堰顶入口形状的系数。当闸墩（或边墩）头部为矩形，堰顶为直角入口边缘时 a0 0.19； 当闸墩（或边墩）头部为圆弧形，堰顶入口边缘为直角或圆弧形时 a0=0.10；b为溢流孔净宽；B为上游引渠宽。25当 时，应采用 。当 时，应采用 ；上式的应用条件为：1对单孔宽顶堰（无闸墩）b采用两边墩间的宽度；B可采用堰上游的水面宽度。2对多孔宽顶堰（有边墩及闸墩） 式中26为中孔侧收缩系数，按（ 8-17）式计算时，可取 ；为单孔净宽； ， d为闸墩厚；为边孔侧收缩系数，用 (8-17)式计算时，可取： ；为边孔净宽； ， 为边墩计算厚度，是边墩边缘与堰上游同侧水边线间的距离。侧收缩系数应取边孔及中孔的加权平均值：（ 8-18）式中： n为孔数；27宽顶堰的淹没系数hs/H0 0.80 0.81 0.82 0.83 0.84 0.85 0.86 0.87 0.88 0.89s 1.00 0.995 0.99 0.98 0.97 0.96 0.95 0.93 0.90 0.87hs/H0 0.90 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98s 0.84 0.82 0.78 0.74 0.70 0.65 0.59 0.50 0.40三、宽顶堰的淹没条件及淹没系数宽顶堰的淹没条件（取平均值）为28已知，进闸流量 Q为 41m3/s， 引水角 为 450，闸下游渠道中水深 h1为 2.5m， 闸前水头 H为 2m， 闸孔数 n为 3，边墩进口处为圆弧形，闸墩头部为半圆形，闸墩厚 d为 1m， 边墩的计算厚度 为 0.8m， 闸底坎进口为圆弧形，坎长 为 6m，上游坎高 P1为 7m，